傳感器接口電路2

1、 機(jī) 電 一 體 化 技 術(shù)第二十三講 傳感器與微機(jī)接口電路 放大與濾波多路模擬開(kāi)關(guān)采樣保持電路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓比較器1 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器信號(hào)處理電路R R uI URuO+UOMUOMuIuOOUR 電壓比較器R R uI URuIuOOURUOM+UOM模擬電壓比較電路是用來(lái)鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓大小的電路。比較器的輸入量是模擬量，輸出量是數(shù)字量，所以它兼有模擬電路和數(shù)字電路的某些屬性，是模擬電路和數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁，是重要的接口電路。一般情況下，運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下工作也可用來(lái)比較兩個(gè)模擬信號(hào)，但運(yùn)算放大器電路在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮的是輸入與輸出之間的線性放大特性以及穩(wěn)定

2、性等重要指標(biāo)，其響應(yīng)時(shí)間一般較長(zhǎng)。為了解決響應(yīng)時(shí)間和電平匹配問(wèn)題，電壓比較器被設(shè)計(jì)成專用的電路，并出現(xiàn)了各種集成比較器。2 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器信號(hào)處理電路 電壓比較器模擬電壓比較電路是用來(lái)鑒別和比較兩個(gè)模擬輸入電壓大小的電路。比較器的輸入量是模擬量，輸出量是數(shù)字量，所以它兼有模擬電路和數(shù)字電路的某些屬性，是模擬電路和數(shù)字電路之間聯(lián)系的橋梁，是重要的接口電路。一般情況下，運(yùn)算放大器在開(kāi)環(huán)狀態(tài)下工作也可用來(lái)比較兩個(gè)模擬信號(hào)，但運(yùn)算放大器電路在設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮的是輸入與輸出之間的線性放大特性以及穩(wěn)定性等重要指標(biāo)，其響應(yīng)時(shí)間一般較長(zhǎng)。為了解決響應(yīng)時(shí)間和電平匹配問(wèn)題，電壓比較器被設(shè)計(jì)成專用的電路

3、，并出現(xiàn)了各種集成比較器。3 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器 信號(hào)處理電路 過(guò)零比較器 當(dāng)UR =0 時(shí)，稱為零電壓比較器R R uI uOUOM t uIO t uO O UOM 零電壓比較器可以實(shí)現(xiàn)波形變換, 即可以把正弦波變換為方波。4 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器信號(hào)處理電路二、 滯回電壓比較器 uO+ _R1 R2uI UR RF 電壓傳輸特性+UOMUOMO uO uIULUH下限觸發(fā)電壓 上限觸發(fā)電壓 當(dāng) uO= + UOM 時(shí), u+ = UH = RF R2 + RF UR + R2 R2 + RF UOM 當(dāng) uO=UOM 時(shí), u+ = UL =RF R2 + RF UR R2

4、 R2 + RF UOM 5 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器uO+ _R1 R2uI UR Rf +UOMUOMOuO uIULUH 電壓傳輸特性 U= UH UL 稱為滯回寬度 改變 R2 和 RF，可以改變 U、UL、UH 值。6 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器信號(hào)處理電路數(shù)字化自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng) 傳感器傳感器調(diào)制、解調(diào)電路轉(zhuǎn)換/放大/濾波多路開(kāi)關(guān)采樣保持模數(shù)轉(zhuǎn)換微機(jī)被測(cè)的物理量首先經(jīng)過(guò)傳感器變換成電信號(hào)、經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路（調(diào)制與解調(diào)或通過(guò)電橋參數(shù)轉(zhuǎn)換、放大、濾波）后，由多路開(kāi)關(guān)選擇某一路的模擬信號(hào)送到采樣保持器，再經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換城數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行必要的運(yùn)算和處理。 7 機(jī)電一體化技術(shù)檢

5、測(cè)與傳感器信號(hào)處理電路一、放大與濾波環(huán)節(jié)目前使用較多的放大器是集成運(yùn)算放大器。因?yàn)樗钠坪驮肼暫艿停鲆婧凸材Ｒ种票群芨?，出入阻抗高，而且輸出阻抗低。常用的放大電路?jiàn)下圖，該電路輸入阻抗高、輸出阻抗低，失調(diào)及零漂很小，放大倍數(shù)精確可調(diào)，具有差動(dòng)輸入、單端輸出，共模抑制比很高。8 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路RC濾波電路中的電阻，不僅消耗希望抑制的信號(hào)能量，也消耗希望通過(guò)的信號(hào)能量。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用RC網(wǎng)絡(luò)和集成運(yùn)算放大器組成的有源濾波器，該電路除濾波外，還可將信號(hào)放大。測(cè)量信號(hào)中含干擾噪聲較大，若不抑制，高增益放大器接收到這樣的信號(hào)，會(huì)導(dǎo)致儀器不能正常工作，故常將濾波器置于

6、放大器之前9 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路11423598127116413UEEUCCRRCUi1()Ui2 ()Ui100H0.1F屏蔽線屏蔽線RG10kAD522數(shù)據(jù)防護(hù)利用AD522組裝的儀用放大器 測(cè)量放大器 傳感器輸出點(diǎn)信號(hào)的參量形式可分為電壓輸出、電流輸出和頻率輸出，其中以電壓輸出型為最多。在電流輸出和頻率輸出傳感器中，除了少數(shù)直接利用電流或頻率輸出信號(hào)外，大多數(shù)是分別配以電流電壓變換器或頻率電壓變換器，從而將它們轉(zhuǎn)換成電壓輸出型傳感器。10 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路二、多路模擬開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)為減少檢測(cè)通道的設(shè)備，而使多個(gè)信號(hào)的采樣共同使用一個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)

7、過(guò)多路傳感器變換后的信號(hào)采用分時(shí)法切換到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器上，這一過(guò)程稱為多路切換。 多路模擬開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)主要有4選1、8選1、雙4選1、雙8選1和16選1等幾種，多路模擬開(kāi)關(guān)由地址譯碼器和多路雙向模擬開(kāi)關(guān)組成。它通過(guò)外部地址輸入，經(jīng)電路內(nèi)部的地址譯碼器譯碼后，接與地址碼相對(duì)應(yīng)的其中一個(gè)開(kāi)關(guān)。以實(shí)現(xiàn)任一路信號(hào)的傳送。11 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路雙四路模擬開(kāi)關(guān)CD4052CD4051原理圖12 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路多路模擬開(kāi)關(guān)單八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051圖CD4051引腳功能 13 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路雙四路模擬開(kāi)關(guān)CD4052圖CD4052的引腳功能

8、14 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路三、采樣保持環(huán)節(jié)圖中虛線表示再現(xiàn)原來(lái)的連續(xù)時(shí)間信號(hào)?？梢钥闯?，采樣周期越短，誤差越小；采樣周期越長(zhǎng)，失真越大。為了盡可能保持被采樣信號(hào)的真實(shí)性， 采樣周期不宜過(guò)長(zhǎng)。采樣就是以相等的時(shí)間間隔對(duì)某個(gè)連續(xù)時(shí)間信號(hào)a（t）取樣，得到對(duì)應(yīng)的離散時(shí)間信號(hào)的過(guò)程，如圖所示。其中， t1、t2為各采樣時(shí)刻, d1、d2為各時(shí)刻的采樣值,兩次采樣之間的時(shí)間間隔稱為采樣周期TS。15數(shù)據(jù)采集電路 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器采樣保持作用：在采樣期間，其輸出能跟隨輸入的變換而變化，而在保持狀態(tài)能使其輸出值保持不變。S合：采樣；S開(kāi): 保持。采樣開(kāi)關(guān)被接通的時(shí)間稱為采樣時(shí)間，

9、采樣開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間為保持時(shí)間。S16 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路 采樣保持電 路LF198采樣保持電路 圖所示為一個(gè)實(shí)際的采樣保持電路LF198的電路結(jié)構(gòu)圖，圖中A1、A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，S是模擬開(kāi)關(guān)，L是控制S狀態(tài)的邏輯單元電路。采樣時(shí)令uL=1，S隨之閉合。A1、A2接成單位增益的電壓跟隨器，故同時(shí)uo通過(guò)R2對(duì)外電容Ch充電使uch=ui。，因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故對(duì)Ch充電很快結(jié)束。采樣結(jié)束時(shí)，uL=0V，S斷開(kāi)，由于uch無(wú)放電通路，其上電壓值基本不變，故使uo值得以保持，即將采樣結(jié)果保持下來(lái)。17數(shù)據(jù)采集電路 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器 采樣開(kāi)關(guān)干簧繼電器 干

10、簧繼電器主要由驅(qū)動(dòng)線圈和干簧管組成，驅(qū)動(dòng)線圈繞在干簧管外面。當(dāng)線圈通以額定電流后，干簧管中的兩根常開(kāi)彈簧片互相吸引而吸合。它的耐壓較高，額定電流較大，導(dǎo)通電阻接近零。耗電較大、速度較慢是干簧繼電器的主要缺點(diǎn)。18 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器 數(shù)據(jù)采集電路 CMOS模擬采樣開(kāi)關(guān) 模擬采樣開(kāi)關(guān)切換對(duì)象是多路模擬信號(hào)。它的控制端處于“有效”狀態(tài)時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通電阻約幾歐至幾百歐（視型號(hào)而定）。當(dāng)控制端處于“無(wú)效”狀態(tài)時(shí)開(kāi)關(guān)截止，截止電阻大于108。 其優(yōu)點(diǎn)是集成度高，動(dòng)作快（小于1s）、耗電省等。缺點(diǎn)是有一定的導(dǎo)通電阻、各通道間有一定的漏電、擊穿電壓低、易損壞等。19 機(jī)電一體化技術(shù)檢

11、測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路四、模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 放大器放大后的模擬信號(hào)必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能由計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。目前采用較多的A/D轉(zhuǎn)換器有兩大類(lèi)：一類(lèi)是并行A/D轉(zhuǎn)換器，另一類(lèi)是串行A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路20 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路四、模/數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)AD574A是美國(guó)模擬數(shù)字公司（Analog）推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，采樣保持器的輸出信號(hào)被送到模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再送入微機(jī)等設(shè)備進(jìn)行處理和顯示。1. Pin1(+V)+5V電源輸入端。2. Pin2( )數(shù)據(jù)模式選擇端，通過(guò)此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線是12位

12、或8位輸出。3. Pin3( )片選端。5. Pin5( )讀轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)控制端。7. Pin7(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。 8. Pin8(REF OUT)10V基準(zhǔn)電源電壓輸出端。9. Pin9(AGND)模擬地端。10. Pin10(REF IN)基準(zhǔn)電源電壓輸入端。11. Pin(V-)負(fù)電源輸入端，輸入-15V電源。12. Pin1(V+)正電源輸入端，輸入+15V電源。13. Pin13(10V IN)10V量程模擬電壓輸入端。14. Pin14(20V IN)20V量程模擬電壓輸入端。15. Pin15(DGND)數(shù)字地端。16. Pin16Pin27(DB0DB11)1

13、2條數(shù)據(jù)總線。通過(guò)這12條數(shù)據(jù)總線向外輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 21 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路四、數(shù)/模轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié) 計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理后的數(shù)字信號(hào)有時(shí)必須轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，才能用于工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程控制。它的輸入是計(jì)算機(jī)送出的數(shù)字量，它的輸出是與數(shù)字量相對(duì)應(yīng)的電壓或電流。如果在計(jì)算機(jī)與D/A之間插入多路光耦合器就能較好地防止工業(yè)控制設(shè)備干擾計(jì)算機(jī)的工作。如果使用多路采樣保持器，只要使用一個(gè)D/A即可進(jìn)行多路D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器的光耦接口電路22 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路五、數(shù)據(jù)采集的概念典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由傳感器（T）、放大器（IA）、 模擬多路開(kāi)關(guān)（MUX）、 采樣保持器（S

14、HA）、 A/D轉(zhuǎn)換器、 計(jì)算機(jī)（MPS）或數(shù)字邏輯電路組成。 根據(jù)它們?cè)陔娐分械奈恢每煞譃橥瑫r(shí)采集、 高速采集、 分時(shí)采集和差動(dòng)結(jié)構(gòu)四種配置， （a） 同時(shí)采集； （b） 高速采集； （c） 分時(shí)采集； （d） 差動(dòng)結(jié)構(gòu) 同時(shí)采集和保持，然后分時(shí)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)， 23 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路五、數(shù)據(jù)采集的概念（a） 同時(shí)采集； （b） 高速采集； （c） 分時(shí)采集； （d） 差動(dòng)結(jié)構(gòu) 同時(shí)采集系統(tǒng)：同時(shí)采集和保持，然后分時(shí)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)， 高速采集系統(tǒng)：在時(shí)實(shí)控制中對(duì)多個(gè)模擬信號(hào)的同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量。 分時(shí)采集系統(tǒng)：這種系統(tǒng)價(jià)格便宜， 具有通用性，每個(gè)采樣點(diǎn)值間存在一個(gè)時(shí)差輸入通道數(shù)越多，

15、 扭斜現(xiàn)象越嚴(yán)重， 不適合采集高速變化的模擬量。 24 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路電壓頻率轉(zhuǎn)換電路 V/f 轉(zhuǎn)換器定義：V/f (電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的頻率信號(hào)，即它的輸出信號(hào)頻率與輸入信號(hào)電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。應(yīng)用：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術(shù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。指標(biāo)：額定工作頻率和動(dòng)態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等。25 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路通用運(yùn)放V/f轉(zhuǎn)換電路組成：積分器、比較器和積分復(fù)原開(kāi)關(guān)等。26 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路OU1U2uoT1T2

16、tuCU2U1ttOOuP-UZ+UZ 積分器輸出一串負(fù)向鋸齒波電壓，比較器輸出相應(yīng)頻率的矩形脈沖序列。輸入電壓越大，充電電流及鋸齒波斜率越大，輸出脈沖頻率越高。27 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路集成V/f轉(zhuǎn)換器 模擬集成V/f轉(zhuǎn)換器具有精度高、線性度高、溫度系數(shù)低、功耗低及動(dòng)態(tài)范圍寬等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制和數(shù)字化及智能化測(cè)量?jī)x器中。 集成V/f轉(zhuǎn)換器大多采用電荷平衡型V/f轉(zhuǎn)換電路作基本電路，例如典型的LM131系列轉(zhuǎn)換器。28 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路 由輸入比較器、定時(shí)比較器和RS觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)定時(shí)器、基準(zhǔn)電源電路、精密電流源、電流開(kāi)關(guān)

17、及集電極開(kāi)路輸出管等部分組成。LM13129 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路LM131用作V/f轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路及振蕩波形圖b)約10mVOOTtottu6uiuo（1）uiu6時(shí)，比較器輸出高電平，Q=1，V導(dǎo)通，uo=0；開(kāi)關(guān)S閉合，iS對(duì)CL充電，u6逐漸上升；與引腳5相連的芯片內(nèi)放電管截止，U經(jīng)Rt對(duì)Ct充電，Ct上升，直至 。（2）當(dāng) ，Q=0，V截止，uo=+E；開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，CL通過(guò)RL放電，u6下降；Ct通過(guò)芯片內(nèi)放電管迅速放電到零。當(dāng) ，開(kāi)始新周期。30 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路 f/V 轉(zhuǎn)換電器 把頻率變化的信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成電壓變化的信號(hào)。 主要包括電平比較器、單穩(wěn)觸發(fā)器和低通濾波器三部分。 輸入信號(hào)通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換成快速上升/下降的方波信號(hào)去觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器，產(chǎn)生定寬、定幅度的輸出脈沖序列。uoOc)ustttOOb)a)Us 將此脈沖序列經(jīng)低通濾波器平滑，可得到比例于輸入信號(hào)頻率fi的輸出電壓uo。31 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路P165 5.1電壓/電流變換電路典型的二線方式輸出應(yīng)用(420mA)32 機(jī)電一體化技術(shù)檢測(cè)與傳感器數(shù)據(jù)采集電路電壓/電流變換電路應(yīng)用范圍 工業(yè)自動(dòng)化控制 傳感器電流變送接口電路 可調(diào)的電流源輸出 遠(yuǎn)距離輸送AM402 是一個(gè)用于處理差分電橋信號(hào)的電壓電流